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Die Erfindung betrifft einen Differenzstromsensor, einen Fehlerstromschutzschalter und ein Verfahren zum Schutz eines elektrischen Stromkreises.
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Differenzstrommessverfahren, insbesondere für Fehlerstromschutzschalter sind allgemein bekannt. Überlicherweise werden hierzu so genannte Summenstromwandler verwendet. Dabei sind zwei oder mehr Leiter, meist Hin- und Rückleiter bzw. Außen- und Neutralleiter in einem Einphasenwechselstromnetz oder alle drei Außenleiter und der Neutralleiter bei einem Dreiphasenwechselstromnetz, durch einen Stromwandler geführt. Gewandelt wird dann nur der Differenzstrom, d.h. ein von Hin- und Rückstrom abweichender Strom, aus den Leitern. Üblicherweise ist die Stromsumme in einem elektrischen Stromkreis gleich null. So können Fehlerströme erkannt werden.
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Fehlerstromschutzschalter werden insbesondere für Niederspannungsstromkreise respektive Niederspannungsnetze verwendet. Mit Niederspannung sind Spannungen bis 1000 Volt Wechselspannung oder 1500 Volt Gleichspannung gemeint.
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Übliche Summenstromwandler haben den Nachteil, dass diese nicht bei Gleichspannung funktionieren. Auch sind bisher keine gleich- und wechselstromfähigen Summenstromwandler bekannt, die netzunabhängig respektive netzspannungsunabhängig arbeiten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Differenzstromsensor, insbesondere für Gleichstromkreise, anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch einen Differenzstromsensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Fehlerstromschutzschalter gemäß Patentanspruch 13 oder ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Differenzstromsensor für einen elektrischen Stromkreis wie folgt aufgebaut ist:
- - einen Weicheisenkern mit einem Luftspalt, wobei der Weicheisenkern mit einer ersten und einer zweiten Spule bewickelt ist,
- - einen Reedschalter, der im Luftspalt des Weicheisenkerns angeordnet ist. Dieser erfindungsgemäße Differenzstromsensor funktioniert sowohl für Wechselstrom- als auch für Gleichstromkreise.
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Mit Weicheisenkern ist hierbei generell ein weichmagnetisches Kernmaterial gemeint.
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Wird dieser erfindungsgemäße Differenzstromsensor in einem elektrischen Stromkreis, insbesondere Gleichstromkreis, angeordnet, heben sich bei gleichen Hin- und Rückströmen, also wenn die Stromsumme null ist, die durch Spulen erzeugten magnetischen Flüsse im Weicheisenkern bzw. Magnetkreis auf. Der im Luftspalt angeordnete Reedschalter erfährt keinen magnetischen Fluss bzw. kein Magnetfeld und sein Kontakt bleibt beispielsweise geöffnet (alternativ: geschlossen).
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Ist die Stromsumme ungleich Null bzw. größer als eine erste Stromdifferenz, bewirkt die entstehende magnetische Flussdifferenz ein beispielsweise Schließen (alternativ: Öffnen) des Reedschalters respektive Magnetschalters, so dass gegebenenfalls der elektrische Stromkreis unterbrochen werden kann. Der Weicheisenkern sorgt dabei erfindungsgemäß dafür, dass auch geringe Stromdifferenzen zu einer Aktivierung des Reedschalters führen, da der magnetische Fluss durch den Weicheisenkern verstärkt wird bzw. eine höhere magnetische Flussdifferenz zur Aktivierung des Reedschalters zur Verfügung steht.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der elektrische Stromkreis ein Gleichstromkreis.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Lösung für einen netzspannungsunabhängigen Differenzstromsensor gegeben ist, wodurch sich beispielsweise netzspannungsunabhängige Fehlerstromschutzschalter realisieren lassen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Differenzstromsensor allgemein so konstruiert, dass ein erster elektrischer Strom durch die erste und ein zweiter elektrischer Strom durch die zweite Spule fließt,
daraufhin die erste und zweite Spule magnetische Flüsse im Weicheisenkern erzeugen, die sich bei betragsmäßiger Stromgleichheit des ersten und zweiten Stromes aufheben.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass selbst geringste Stromdifferenzen erkannt werden können und zu einer Aktivierung des Reedschalters führen, so dass beispielsweise ein elektrischer Stromkreis unterbrochen werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Weicheisenkern eine Koerzitivfeldstärke von weniger als 1000 A/m auf, insbesondere von weniger als 100 A/m, spezieller von weniger als 10 A/m.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass der verbleibende Restmagnetismus nicht zu einer fehlerhaften Aktivierung des Reedschalters führt, insbesondere bei kleinen Differenzströmen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Weicheisenkern mit Luftspalt ringförmig, hufeneisenförmig, u-förmig, in der Form eines Viereckes oder Ellipsoides ausgestaltet.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass sich an individuelle konstruktive Bedürfnisse orientiert eine Vielzahl von Gestaltungsmöglichkeiten für den Weicheisenkern ergeben.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die erste und die zweite Spule die gleiche Windungszahl, insbesondere das Spulenmaterial auch den gleichen Querschnitt bzw. Durchmesser, auf.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine besonders einfache Realisierung für einen Differenzstromsensor gegeben ist, um bei gleichem Strom identische magnetische Flüsse zu erzeugen, um damit Differenzströme zu erkennen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der elektrische Stromkreis einen ersten Leiter und einen zweiten Leiter auf, die jeweils eine Energiequelle mit einer Energiesenke bzw. Energieverbraucher verbinden,
der elektrische Strom des ersten Leiters mindestens teilweise oder vollständig durch die erste Spule und der elektrische Strom des zweiten Leiters mindestens teilweise oder vollständig durch die zweite Spule fließt.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine erste einfache Realisierung in Hinblick auf einen Fehlerstromschutzschalter gegeben ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der ersten Spule ein erster Widerstand und der zweiten Spule ein zweiter Widerstand parallel geschaltet.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Differenzstromsensor für große Ströme in den Leitern des elektrischen Stromkreises gegeben ist, da nur ein Teil des Stromes durch den erfindungsgemäßen Differenzstromsensor fließt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Kontakte des Reedschalters im stromlosen Zustand geöffnet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Aktivierung des Reedschalters in Verbindung mit einem Auslösekreis nur bei vorliegenden Differenzströmen erzielt wird, wodurch sich ein geringer Ruhestromverbrauch für beispielsweise die Anwendung in einem Fehlerstromschutzschalter erzielen lässt.
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Erfindungsgemäß lässt sich ein Fehlerstromschutzschalter für einen elektrischen Stromkreis, insbesondere Gleichstromkreis, realisieren, der einen Differenzstromsensor gemäß erfindungsgemäßer Ausgestaltung aufweist.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass sich insbesondere ein netzspannungsunabhängiger Fehlerstromschutzschalter, speziell für Gleichspannungen oder allstromsensitiv, realisieren lässt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der erste oder/und zweite elektrische Leiter einen dritten oder/und vierten Widerstand aufweist, der Spannungsabfall über dem dritten oder/und vierten Widerstand als Energieversorgung für den Auslösestromkreis verwendet wird.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine geschickte Realisierung der Stromversorgung für den Auslösekreis in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Differenzstromsensor gegeben ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dem dritten oder/und vierten Widerstand jeweils ein Kondensator oder/und Feldeffekttransistor parallel geschaltet ist.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass der Spannungsabfall im fehlerfreien Zustand über den Widerständen minimiert wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Auslösestromkreis eine Batterie zur Energieversorgung auf. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine weitere einfache Möglichkeit zur Energieversorgung gegeben ist, da vorteilhafterweise nur sehr geringe Ströme über den Reedschalter fließen und für ein Auslöserelais benötigt werden.
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Erfindungsgemäß ist ferner ein korrespondierendes Verfahren angegeben, mit dem sich die genannten Vorteile realisieren lassen.
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Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1 als auch rückbezogen lediglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Patentansprüchen, bewirken eine Verbesserung eines Differenzstromsensors.
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Die beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.
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Dabei zeigt die Zeichnung:
- 1 eine Darstellung eines bekannten Fehlerstromschutzschalters
- 2 eine erste Darstellung eines Reedschalters
- 3 eine zweite Darstellung eines Reedschalters
- 4 eine Darstellung eines elektrischen Stromkreises
- 5 eine erste Darstellung eines Differenzstromsensors
- 6 eine zweite Darstellung eines Differenzstromsensors
- 7 eine erste Darstellung eines erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters
- 8 eine zweite Darstellung eines erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters
- 9 eine Darstellung einer elektronischen Schaltung
- 10 eine Darstellung einer Schaltung für einen Auslösekreis
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1 zeigt eine Darstellung eines herkömmlichen netzunabhängigen Fehlerstromschutzschalters FI1, aufweisend einen Summenstromwandler W1, durch den 4 Leiter L1, L2, L3, N eines Dreiphasenwechselstromkreises geführt sind. Der Summenstromwandler weist eine Sekundärwicklung SW auf, die mit einem Auslösekreis A verbunden ist. Dieser ist wiederum mit einer Mechanik M zur Unterbrechung von Kontakten des elektrischen (Dreiphasenwechsel-)Stromkreises verbunden. Der Fehlerstromschutzschalter weist eine Serienschaltung eines Prüfwiderstandes PR und einer Prüftaste PT auf, zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Fehlerstromschutzschalters. Die Serienschaltung ist vor dem Summenstromwandler W1 mit einem Leiter, beispielsweise gemäß 1 mit dem Leiter L3, und nach dem Summenstromwandler W1 mit dem Neutralleiter N verbunden.
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Ist die Stromsumme gleich null, d.h. liegt am energiesenkenseitigen Anschluss des Fehlerstromschutzschalters kein Fehler vor, wird in der Sekundärwicklung des Summenstromwandlers keine Spannung bzw. kein Strom induziert und es erfolgt keine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises. Liegt ein Fehlerfall vor, d.h. fließt energiesenkenseitig Strom ab, ist die Stromsumme durch den Summenstromwandler ungleich null. Dadurch wird eine Spannung bzw. ein Strom in der Sekundärwicklung SW induziert, die in der Folge mittels des Auslösekreises A und der Mechanik den elektrischen Stromkreis unterbricht.
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2 zeigt eine erste Darstellung eines Reedschalters RS respektive eines durch ein Magnetfeld betätigten Schaltelementes. Ein Reedschalter RS besteht aus mindestens zwei ferromagnetischen Kontakten bzw. Schaltzungen, die i.d.R. hermetisch dicht verschlossen in ein Glasröhrchen eingeschmolzen sind. Die Schaltzungen überlappen sich und haben im offenen Zustand einen geringen Abstand zueinander. Wirkt ein Magnetfeld auf den Reedschalter RS, bewegen sich die beiden Schaltzungen bzw. Paddel aufeinander zu und der Schalter schließt. Üblicherweise sind diese Schalter als z.B. Öffner, Schließer oder Wechsler ausgeführt. Ist das durch einen Permanentmagneten oder eine Spule erzeugte Magnetfeld stärker als die Federwirkung der Schaltzungen, schließen die beiden Kontakte.
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3 zeigt eine Darstellung gemäß 2, mit dem Unterschied, dass ein Magnetfeld eingezeichnet ist, dass ein Schließen der Schaltzungen bewirken soll. Das Magnetfeld wird in dieser 3 durch einen Elektromagneten EM, also ein durch die Spulen des Differenzstromsensors erzeugtes Magnetfeld, erzeugt.
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4 zeigt eine Darstellung eines elektrischen Stromkreises, mit einer Energiequelle EQ und einer Energiesenke ES bzw. einem Verbraucher, die durch einen ersten Leiter L10 und einen zweiten Leiter L20 miteinander verbunden sind.
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5 zeigt eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Differenzstromsensors DI, der einen Weicheisenkern WK mit einem Luftspalt LS aufweist. Der Weicheisenkern WK ist mit einer ersten Spule S1 und einer zweiten Spule S2 bewickelt. Im Luftspalt LS befindet sich ein Reedschalter RS.
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Der Differenzstromsensor DI ist derart ausgestaltet, dass ein erster elektrischer Strom durch die erste und ein zweiter elektrischer Strom durch die zweite Spule fließen können. Fließen Ströme durch eine oder beide Spulen, werden daraufhin magnetische Flüsse im Weicheisenkern erzeugt. Diese sollen sich bei betragsmäßiger Stromgleichheit des ersten und zweiten Stromes aufheben. Dadurch kann ein Differenzstrom ermittelt werden, wenn dieser einen ersten Stromgrenzwert überschreitet, bei denen die magnetische Flussdifferenz eine Aktivierung (Schalten) des Reedschalters bewirkt.
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Dies kann beispielsweise durch Spulen mit gleicher Windungszahl und gleichem Material, insbesondere Querschnitt bzw. Durchmesser erfolgen. Der Wicklungssinn bzw. die Bestromung der Spulen ist hinsichtlich der erzeugten magnetischen Flüsse zu beachten.
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6 zeigt eine Darstellung gemäß 5, mit dem Unterschied, dass eine andere Form des Weicheisenkerns gewählt wurde. Prinzipiell ist jede Form geeignet. So kann der Weicheisenkern rund, oval, quadratisch, dreieckig, viereckig, fünfeckig, usw. gestaltet sein.
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7 zeigt eine prinzipielle Darstellung eines erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters FI2. Dieser ist im elektrischen Stromkreis der Leiter L10, L20 vorgesehen. Die Leiter L10, 20 verbinden wie beschrieben eine Energiequelle EQ mit mindestens einer Energiesenke ES.
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Der erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters FI2 weist einen erfindungsgemäßen Differenzstromsensor DI auf. Dabei kann die erste Spule S1 mit dem ersten Leiter L10 verbunden sein, derart dass mindestens ein Teil des Stromes oder der vollständige erste Strom durch die erste Spule S1 fließt. Ebenso kann die zweite Spule S2 mit dem zweiten Leiter L20 verbunden sein, derart dass mindestens ein Teil des Stromes oder der vollständige zweite Strom durch die zweite Spule S2 fließt.
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Soll nur ein Teil des elektrischen Stromes des ersten Leiters L10 oder/und zweiten Leiters L20 über die erste oder/und zweite Spule S1, S2 fließen, kann beispielsweise der ersten Spule ein erster Widerstand oder/und der zweiten Spule ein zweiter Widerstand parallel geschaltet sein.
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Der erste Leiter L10 ist durch einen ersten Kontakt K10 trennbar. Auch der zweite Leiter L20 kann durch einen weiteren zweiten Kontakt K20 trennbar sein.
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Die Kontakte K10, K20 sind durch eine Mechanik M betätigbar. Diese wiederum wird durch einen Auslösekreis A aktiviert.
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Der Auslösekreis A ist wiederum einerseits mit dem Differenzstromsensor DI verbunden, insbesondere mit dem Reedschalter RS bzw. dessen Kontakte. Andererseits kann der Auslösekreis A mit den ersten und zweiten Leitern L10, L20 verbunden sein, um eine Energieversorgung für den Auslösevorgang (Unterbrechung des elektrischen Stromkreises bei vorliegen eines Differenz- bzw. Fehlerstromes) zu erhalten, wie in 7 eingezeichnet.
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8 zeigt eine Darstellung gemäß 7, mit dem Unterschied, dass eine inhaltlich andere Art der Energieversorgung durch elektronische Schaltungen E1, E2 verwendet wird.
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Eine erste elektronische Schaltung E1 ist im Leiter L20 und eine zweite elektronische Schaltung E2 ist im Leiter L10 angeordnet. Diese sind mit dem Auslösekreis A verbunden, jeweils durch nur eine Linie, wobei diese mindestens einen elektrischen Leiter, aber auch zwei/mehrere elektrische Leiter darstellen kann.
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9 zeigt ein Schaltbild der elektronischen Schaltung E1, E2. Die Schaltung ist in Serie im elektrischen Leiter, beispielsweis im ersten elektrischen Leiter L10, eingefügt. Wesentlich ist, dass ein Widerstand R im Leiter eingefügt ist. Der Spannungsabfall über den Widerstand R wird jeweils zur Energieversorgung verwendet. Dabei können dem Widerstand R ein Kondensator C oder/und ein Transistor, wie ein Feldeffekttransistor MOSFET parallel geschaltet sein. Dabei ist der Source-Anschluss mit der einen Seite des Widerstands R und der Drain-Anschluss mit der anderen Seite des Widerstandes R verbunden. Der Gate Anschluss ist hierbei beispielsweise mit dem Source-Anschluss verbunden. Generell wird der Gate-Anschluss von einer Schaltung angesteuert, dass der Feldeffekttransistor MOSFET eine Überlastung des Widerstandes R verhindert. Ist eine Schaltung gemäß 9 in beispielsweise dem ersten Leiter L10 eingefügt, ist in diesem Fall der Widerstand R der dritte Widerstand; ist eine weitere Schaltung gemäß 9 im zweiten Leiter L20 eingefügt, ist in diesem Fall der weitere Widerstand R der vierte Widerstand im Sinne der Erfindung bzw. Patentanmeldung.
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10 zeigt ein weitere Lösung einer Schaltung für den Auslösekreis A bzw. dem Auslösestromkreis. Hierbei wird eine Batterie Bat zur Energieversorgung verwendet. Die Batterie ist einerseits mit einer Serienschaltung eines Haltemagnetauslösers HA und eines Thyristors Th verbunden, wobei die Katode des Thyristors prinzipiell mit dem negativen Pol der Batterie Bat und die Anode des Thyristors prinzipiell mit dem positiven Pol der Batterie verbunden ist. Mit prinzipiell ist gemeint, dass sich noch weitere elektrische Bauelemente im Strompfad befinden können. Im Beispiel gemäß 10 ist die Katode direkt mit den negativen Pol der Batterie verbunden. Die Anode ist über einen fünften Widerstand mit dem Haltemagnet-Auslöser HA verbunden, der wiederum mit dem positiven Pol der Batterie verbunden ist.
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Des Weiteren ist das Gate des Thyristors Th mit dem Reedschalter RS respektive dessen Kontakt verbunden, dessen anderer Anschluss mit dem positiven Pol der Batterie Bat verbunden ist. In diesem Pfad kann ein weiterer sechster Widerstand R6 angeordnet sein; ebenso weitere elektronische Bauelemente.
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Wird der Reedschalter RS des Differenzstromsensors DI aktiviert, d.h. schließt sein Kontakt, wird der Thyristor gezündet und schließt den elektrischen Stromkreis für den Haltemagnetauslöser HA. Dieser bewirk direkt oder mittels eines Mechanik M ein Öffnen der Kontakte K10, K20 des elektrischen Stromkreises.
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11 zeigt eine Schaltung für den Auslösekreis A bzw. dem Auslösestromkreis gemäß 10, mit dem Unterschied, dass ein Transistor Q, wie beispielsweise ein Bipolartransistor verwendet wird.
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Die Batterie Bat ist einerseits mit einer Serienschaltung des Auslöserelais HA und der Emitter-Kollektor Strecke des Transistors Q verbunden, wobei der Emitter bzw. Source des Transistors prinzipiell mit dem negativen Pol der Batterie Bat und der Kollektor bzw. Drain des Transistors prinzipiell mit dem positiven Pol der Batterie verbunden ist. Mit prinzipiell ist gemeint, dass sich noch weitere elektrische Bauelemente im Strompfad befinden können. Im Beispiel gemäß 11 ist der Emitter direkt mit den negativen Pol der Batterie verbunden. Der Kollektor bzw. Drain ist mit dem Auslöserelais HA verbunden, der wiederum mit dem positiven Pol der Batterie verbunden ist.
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Des Weiteren ist die Basis bzw. Gate des Transistors Q mit dem Reedschalter RS respektive dessen Kontakt verbunden, dessen anderer Anschluss mit dem positiven Pol der Batterie Bat verbunden ist. In diesem Pfad können weitere elektronische Bauelemente angeordnet sein. Z.B. um eine Verzögerung der Auslösung zu bewirken. Beispielsweise ist ein siebter Wiederstand R7 zwischen Reedschalter RS und Basis des Transistors Q zur Strombegrenzung eingefügt.
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Wird der Reedschalter RS des Differenzstromsensors DI aktiviert, d.h. schließt sein Kontakt, wird der Transistor Q leitend und schließt den elektrischen Stromkreis für das Auslöserelais HA. Dieser bewirkt direkt oder mittels eines Mechanik M ein Öffnen der Kontakte K10, K20 des elektrischen Stromkreises und damit eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises.
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12 zeigt eine Schaltung gemäß 11, wobei lediglich eine Reihenschaltung der Batterie Bat, bzw. irgendeiner anderweitigen Energiequelle, des Reedschalters RS, und des Auslöserelais HA vorliegt. Damit ist eine besonders einfache Lösung für einen Auslösekreis bzw. Auslösestromkreis gegeben.
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Im Folgenden wird die Erfindung nochmals erläutert.
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Ein Reedschalter RS bzw. Reedkontakt ist ein mechanischer Schalter, der durch ein magnetisches Wechsel- oder Gleichfeld betätigt werden kann. Dieser Effekt beruht auf einer Kraftwirkung des Magnetfeldes auf die sich überlappenden, freien Enden der einseitig eingespannten Zungen in einem Reedkontakt. Wirkt ein axiales Magnetfeld auf den Reedschalter, bewegen sich die beiden Zungen aufeinander zu und der Reedkontakt wird aktiviert und wechselt den Schaltzustand. Üblicherweise sind diese Reedschalter als z.B. Öffner, Schließer oder Wechsler verfügbar.
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Da ein Reedkontakt ein auf ein magnetisches Gleichfeld genauso wie auf ein Wechselfeld anspricht, ohne dafür eine Hilfsspannungsquelle zu benötigen, d.h. netzspannungsunabhängig, ist er dazu geeignet, als Herzstück eines netzspannungsunabhängigen Summenstromwandlers für Fehlerströme zu agieren. Jegliche andere Magnetschalter, die auf magnetische Felder ähnlich wie der Reedkontakt mit schaltendem Verhalten reagieren, sind ebenso geeignet.
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Das magnetische Feld entsteht jedoch nicht wie bei einem Reedrelais aus dem Strom einer Spule, sondern aus dem Differenzstrom von mindestens zwei Spulen, die auf ein weichmagnetisches Kernmaterial, wie ein Joch, mit Luftspalt aufgebracht sind und deren magnetische Flüsse sich bei betragsmäßiger Stromgleichheit aufheben. Dieser neuartige netzspannungsunabhängige Summenstromwandler soll bei Schutzschaltern Einsatz finden, insbesondere aber bei Fehlerstromschutzschaltern (netzspannungsabhängige wie auch netzspannungsunabhängige) für AC-, DC-, sowie AC-/DC-Niederspannungsnetze.
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Der Weicheisenkern und der Luftspalt können aus den verschiedensten geometrischen Formen bestehen, entscheidend ist nur, dass im Luftspalt der Reedschalter so lagern kann, dass der Reedschalter bzw. dessen Kontakte bzw. Pins eine ausreichend magnetisch leitende Verbindung zum Weicheisen haben. Liegt nun das resultierende Magnetfeld über dem erforderlichen Maß zum Ansprechen der Kontakte bzw. Paddel, so werden diese solange geschlossen bis das Magnetfeld wieder unter ein bestimmtes Maß abfällt.
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Die 5 und 6 zeigen zwei mögliche Varianten dieses Differenzstromsensors bzw. Summenstromwandlers DI als spulenbewickelter Weicheisenkern mit dem Reedschalter bzw. Reedkontakt im Luftspalt.
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Die Restflussdichte (Remanenz) des Jochs darf den Reedkontakt nicht insofern beeinträchtigen, dass der Fehlerstrom-Auslösewert des Fehlerstrom- bzw. FI-Schutzschalters, kurz FI, stark verfälscht oder der FI gar im fehlerlosen Zustand abgeschaltet wird. Die verträgliche Remanenz im Luftspalt ist schwer zahlenmäßig, allerdings besser verhältnismäßig bestimmbar. Die Remanenzflussdichte, die das Auslöseverhalten des Reedschalters unwesentlich beeinflusst, variiert je nach Material und Konfiguration des Luftspaltes. Der Luftspalt schert die Magnetisierungskennlinie und damit auch die verbleibende Remanenz nach starker Aufmagnetisierung durch einen hohen einpoligen Fehlerstrom aus. D.h. die Remanenzwerte mit Luftspalt sind viel geringer als bei einem Weicheisen als voller Ringbandkern. Bei der verzweigten Verschaltung von Reedkontakt und Luftspalt ist in Abhängigkeit des Luftspaltdesigns kein festes Verhältnis von Luftspalt-Flussdichtewert zu Reedkontakt-Ansprechwert gegeben. Die Pins des Reedkontakts können je nach Lage und Kontaktierung zum Weicheisenjoch selbst bei ausreichender Durchflutung (Wicklungszahl mal Differenzfehlerstrom) und zugleich geringsten Luftspaltflussdichten einen Fluss vom Joch übernehmen, der ausreicht um die Kontaktzungen zusammenzuführen.
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Die gescherte Remanenz sollte deshalb nicht mehr als 20% desjenigen Luftspalt-Flussdichtewertes betragen, der für ein ausgewähltes Weicheisenmaterial und Luftspaltdesign beim Ansprechen des eingesetzten Reedkontaktes simuliert oder gemessen werden kann.
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Um zu erkennen, ob der Reedkontakt angesprochen hat, wird ein Stromkreis benötigt, der durch den geschlossenen Reedkontakt einen Haltemagneten oder einen Sperrmagneten eines Auslösekreis A aktiviert. Hier kann bekannte Fehlerstromschutzschaltertechnik verwendet werden. Die Mechanik M der Schutzeinrichtung sorgt für die sichere Trennung des Stromkreises.
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Die dafür benötigte Energie ist sehr gering und kann beispielsweise mit einer elektronischen Schaltung E1, E2 aus dem Fehlerstrom gewonnen werden. Dazu werden in die ersten oder/und zweiten Leiter L10, L20 bzw. Primärleiter serielle Elektronikpfade E1, E2 zwischengeschaltet, die unabhängig von der Verbindung zum Netz und vom jeweiligen anderen Pfad arbeiten können. Ein Blockschaltbild eines derartigen Fehlerstromschutzschalters, insbesondere für Gleichspannungskreise, ist in 8 dargestellt.
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In der technischen Umsetzung des Blockschaltbildes gemäß 8 sollte allerdings verhindert werden, dass das beispielsweise positive Netzpotenzial + über die elektronische Schaltung E1, E2 eine direkt leitende Verbindung (Kurzschluss) zum negativen Netzpotenzial - erhält.
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Da bei Netzbetrieb eine der beiden elektronischen Schaltungen allein in der Lage ist, die Energieversorgung zu gewährleisten, wird die andere erst nach Ausfall mindestens eines Netzpotenzials zur Energieversorgung verwendet. Dies ist in 8 durch den Verbindungspunkt der Linien von E1 und E2 zum Auslösekreis A angedeutet.
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Die elektronische Schaltung E1, E2 ist in 9 dargestellt und besteht beispielsweise aus der Parallelschaltung eines Kondensators C, Widerstandes R und (Feldeffekt-)Transistors MOSFET.
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Auch ohne Netzspannung, von der Energiequelle EQ, fällt durch den Fehlerstrom über den Widerstand R genug Spannung ab um den Kondensator C innerhalb weniger Sekundenbruchteile mit ausreichend Energie, für den Auslösekreis A bzw. für den Haltemagneten HA zu laden. Der Kondensator C gibt die Energie bei Ansprechen des Reedkontakts RS an den Haltemagneten HA ab. Im fehlerlosen Betrieb schaltet sich der Transistor MOSFET zu, damit wird der Widerstand R überbrückt, sodass der Widerstand R durch die abfallende Verlustleistung nicht zu Schaden kommt.
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Alternativ zu 9 könnte die Elektronik, die das Schalten des Reedkontakts erkennt, von den Leitern L10, L20 getrennt sein, z.B. mit einer vom Netz unabhängigen Batterieenergieversorgung versehen werden. Eine entsprechende Schaltung dazu ist in 10 gezeigt.
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Der Reedschalter RS funktioniert darin als Schalter für das Gate (die Basis) eines Halbleiter-Bauelements, welcher dann den Strompfad über den Haltemagneten zur Batterie freigibt. 10 zeigt dies beispielsweise mit einem Thyristor als beispielhaftes Halbleiter-Steuerelement. Neuartigere Bipolar- oder MOSFET-Transistoren, sowie andere, auf diese Weise schaltende Bauelemente, sind selbstverständlich auch möglich als Steuerelement. Die fünften und sechsten Widerstände R5, R6 funktionieren als strombegrenzende Bauelemente.
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Der Vorteil der Erfindung liegt in der Verwendung eines Weicheisenkerns als flussführendes Joch, in dessen dazugehörigen Luftspalt sich der (Reed-)Magnetschalter befindet, der den Differenzstrom detektiert und der durch seine Pins magnetischen Kontakt zum Joch hat.
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Dieser kann vorteilhaft für einen netzspannungsunabhängigen Fehlerstromschutzschalter verwendet werden, wofür prinzipielle elektronische Schaltungen angegeben wurden. Ferner Möglichkeiten zur Energiegewinnung für diesen Zweck.
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Die Batterielösung bietet den Vorteil, dass ein Fehlerstromschutzschalter für Gleich- und Wechselstrom sehr einfach zu realisieren ist. Ferner ist der Auslösekreis galvanisch vom Primärkreis der Leiter L10, L20 getrennt.
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In analoger Weise lassen sich weitere Windungen auf einem Weicheisenkern aufbringen, um einen Differenzstromsensor für mehrphasige Stromkreise zu realisieren.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
